Проблема пространственно-временного прогноза устойчивости удароопасных массивов при их отработке взрывными технологиями Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

----------------------------------- © О.А. Хачай, О.Ю. Хачай,

В.К. Климко, О.В. Шипссв, 2008

УДК 622.272

О.А. Хачай, О.Ю. Хачай, В.К. Климко,

О.В. Шипеев

ПРОБЛЕМА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ УДАРООПАСНЫХ МАССИВОВ ПРИ ИХ ОТРАБОТКЕ ВЗРЫВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ*

Семинар № 4

Технология отработки рудных глубокозалегающих месторождений предусматривает проведение профилактических и контролирующих безопасность отработки мер. Для этого на ряде крупнейших горнодобывающих предприятий России установлены многоканальные автоматизированные системы контроля в пределах шахтных полей сейсмичности, вызванной ведением подземных горных работ [1, 2]. На основе имеющихся на этих предприятиях обширных банков данных сейсмических записей толчков и горных ударов, разрабатываются методы анализа, позволяющие обнаруживать различного типа режимы сейсмоэнер-говыделения из напряженных участков рудного и породного массивов [3,4].

В рамках школы ИГД СО РАН развивается новое направление изучения состояния массива горных пород, называемое нелинейной геомеханикой [5]. Нам представляется, что большего успеха на этом пути можно достичь в комплексе с геофизическими исследованиями, методики проведения которых опираются на модель

среды с иерархической структурой. Если же нас интересует дополнительно эволюция этой структуры, то необходимо использовать комплексные геофизические методики, обладающие разрешающей способностью выявления зарождения и распада самоорганизующихся структур.

Впервые, именно при использовании разработанной в ИГФ УрО РАН попланшетной электромагнитной методики удалось в рамках натурных исследований в массиве Таштагольского подземного рудника в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах на глубинах от 540 до 750 м реализовать идею выявления зон дезинтеграции в массиве горных пород, организовать мониторинг их морфологии, описать натурные результаты по обнаружению явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии [6, 7, 10, 12]. Там же указан способ разработки критериев устойчивости на основе предложенной методики классификации. Исходной целью этих работ было выявление морфологии зон дезинтеграции в околовыработочном про-

*Работа выполнена в рамках интеграционного проекта с СО РАН и программы по ОНЗ РАН.

странстве массива горных пород, находящегося под интенсивным техногенным воздействием и влиянием естественного поля напряжений. В работе [11] изложены результаты по разработке критериев пространственно-временного комплексного активного и пассивного сейсмического и электромагнитного мониторинга для предотвращения разрушительных динамических явлений на основе шестилетних данных сейсмологического мониторинга, проводимого службой горных ударов на Таштагольском подземном руднике и полученного опыта использования разработанной в ИГФ УрО РАН системы индукционного электромагнитного пространственновременного мониторинга на массивах различного вещественного состава до и после массовых взрывов. В качестве изучаемых параметров сейсмологического мониторинга рассмотрены значения суммарной энергии, выделяемой массивом конкретного блока отработки в виде динамических явлений, после каждого массового взрыва 1д(Еу), значения поглощаемой массивом этого же блока энергии 1д(Ер) и максимального объема шахтного поля, где происходят динамические явления от данного массового взрыва 1д(Ушах). Кроме того, собственно переходный процесс энерговыделения массивом в виде отклика на техногенное воздействие - массовый взрыв для осуществления той или иной технологической процедуры (подсечка, отрезка, компенсация, обрушение) -проанализирован в виде зависимости ^(Еув^/Уэ^)). Здесь 1 - величина, отмечающая временные интервалы от каждого технологического приема с использованием массового взрыва, сначала в долях суток (1 = 1^4) и далее в целых сутках (например, 1 = 5 соответствует 2 суткам, 1 = 6-3 суткам).

Проведенный анализ позволил сделать следующие выводы: при отработке конкретного блока массива весь массив шахтного поля испытывает изменение напряженно-деформированного и фазового состояний от взрыва к взрыву. Количество поглощаемой и отдаваемой массивом энергии не равно друг другу, и поэтому в массиве происходит накопление энергии. Процесс отдачи энергии происходит с запаздыванием и сильно зависит от градиента поглощаемой энергии от массовых взрывов. В массиве возникают зоны динамического затишья. Эти зоны можно отслеживать с помощью данных сейсмологического мониторинга, используя предложенные нами параметры. После выхода из минимума затишья целесообразно в течение недели или двух недель до момента технологического обрушения проводить пространственно - временной активный электромагнитный или сейсмический мониторинг по выявлению зон потенциальной неустойчивости второго ранга, поскольку эти зоны могут в результате массового взрыва обрушения становиться источниками сильных динамических явлений.

Таким образом, введение в систему отработки предлагаемого комплекса пассивного и активного геофизического мониторинга, нацеленного на изучение переходных процессов перераспределения напряженно-деформированного и фазового состояний может способствовать предотвращению катастрофических динамических проявлений при отработке глубокозалегающих месторождений.

Настоящая работа посвящена дальнейшему анализу эффективности использования этого комплекса.

В работе [12] по данным пяти циклов с годичным временным проме-

Рис. 1. Распределение динамических явлений за год перед седьмым циклом электромагнитных наблюдений.

жутком электромагнитного индукционного мониторинга на Таштаголь-ском руднике была осуществлена классификация состояния массива по степени устойчивости относительно техногенного воздействия, массива в различных выработках, расположенных на четырех горизонтах. Имеется в виду устойчивость относительно сильных динамических явлений с энергией 105 Дж и выше. По этой классификации массив, расположенный в пределах орта 19, горизонта -350 был классифицирован как неустойчивый. В последующие годы классификационная характеристика этого массива не менялась.

Первого апреля 2006 г. на отметке -360 (горизонт -350, орт 19, центр) произошел горный удар с энергией 2.7 106 Дж. Тридцатого июля 2006 на отметке -385 (восток, створ 19-20 ортов) произошел еще один удар с энергией 3.35 1 05 Дж. Таким образом, прогноз, имевший место в предложенной нами классификации подтвержден данными 2006 г.

На рис. 1 приведены данные о выделенной сейсмической энергии из

массива, расположенного в пределах 17-20 ортов горизонта -350. Из приведенных данных за период 10.07.05-10.08.06 интересующие нас наиболее сильные динамические явления на указанном выше участке массива происходили только в 19 орту. Кроме того, за этот период такие явления происходили большей частью в почве 19 орта (рис. 2). Классификация по устойчивости массивов разных ортов была произведена нами с использованием параметра поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции, расположенных в почве массивов.

Таким образом, прогноз по месту и магнитуде возможного сильного динамического явления по данным электромагнитного индукционного мониторинга подтвердился. Представляет интерес проанализировать насколько точно по данным электромагнитного мониторинга можно указать местоположение локального объема задействованного массива орта 19, горизонта -350 в формировании динамического явления.

На рис. 3 приведены сравнительные за 2004, 2005, 2006 гг. распре-

Рис. 2. Глубина расположения источников динамических явлений. Н = Н-450 м

деления среднего параметра геоэлек-трической неоднородности на трех частотах. Кроме того, после второго горного удара нами были проведены повторные наблюдения 4 и 7 августа 2006 г. Эти результаты приведены также на рис. 3 и отдельно на рис. 4. Первый горный удар произошел в центре орта, т.е. в наших обозначениях: на 13-20 пикетах. Эта область выделяется повышенными значениями среднего параметра геоэлектрической неоднородности с 2004 г. Второй удар произошел в восточной части орта на большей глубине. Его влияние отразилось значительным увеличением среднего значения параметра геоэлектрической неоднородности (наблюдения 2006 г.) на пикетах 2030 на всех рабочих частотах. При этом аномальные значения 7 августа на 20 и 10 кГц были уже меньше, чем 4 августа, для данных, наблюденных на частоте 5 кГц, ситуация обратная, что свидетельствует о возможном распространении перестройки массива снова вглубь от контура выработки. Однако 7 августа произошло опять резкое увеличение среднего

параметра геоэлектрической неоднородности на восточном краю разрушенной горным ударом части массива по данным (5-10 кГц) и западном краю по данным на частоте 20 кГц.

Анализ морфологии зон дезинтеграции по разрезам (рис. 5) позволяет сделать следующие выводы: в западной части орта в почве массива имеется интенсивная зона нарушенности, конфигурация которой практически не меняется в течение 4 суток между двумя циклами наблюдений после сильного горного удара. Что касается восточной части, то зоны, расположенные 4 августа в почве массива через 4 суток закрылись, а в кровле через 4 суток проявились, что может свидетельствовать о продолжении процесса перераспределения напряжений в массиве восточной части орта.

Для того, чтобы определиться более точно о предполагаемом моменте потери устойчивости массива, необходимо тщательно анализировать данные сейсмологического мониторинга по выявлению момента начала затишья в потенциально неустойчивых

9000

8500

8000

7500

7000

6500

6000

5500

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

8,%

10.15 кГц

5 10 15 20 25 30

9000

8500

8000

7500

7000

6500

6000

5500

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

8,%

20.3 кГц

5 10 15 20 25 30

07.08.2006 04.08.2006

+ 20.3 кГц + 20.3 кГц

16.08.2005 + 5.08 кГц — 10.15 кГц + 20.3 кГц 15.07.2004 + 5.08 кГц + 10.15 кГц + 20.3 кГц

Рис. 3. Распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности по данным электромагнитного индукционного мониторинга в течение 4 циклов исследований. Горизонт -350, орт 19.

N

N

8,%

4400

4200

4000

3800

3600

3400

3200

3000

2800

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

10.15 кГц

30

8,%

4400

4200

4000

3800

3600

3400

3200

3000

2800

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

07.08.2006

+ 5.08 кГц

+ 10.15 кГц

+ 20.3 кГц

04.08.2006

+ 5.08 кГц

10.15 кГц 20.3 кГц

N

N

N

Рис. 4. Распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности по данным электромагнитного индукционного мониторинга в течение 2 циклов исследований после динамического явления. Горизонт -350, орт 19

0 20 50 90 150 200 500 1000 5000 и более (Ом-м)

а

0 20 50 90 150 200 500 1000 5000 и более (Ом-м)

б

Рис. 5. Геоэпектрические разрезы вдоль орта 19, горизонт -350, после динамического явления: а - 5 суток, б - 8 суток

ортах, состояние которых определяется в рамках профилактических циклов активного электромагнитного мониторинга (для Таштагольского массива 1 раз в год).

Так по данным, представленным на рис. 1, необходимо было начать наблюдения в рамках активного электромагнитного индукционного мониторинга в орту 19 горизонта -350 с начала февраля 2006 года.

Заключение

В рамках активного электромагнитного индукционного пространственно-временного мониторинга, производимого в объеме массива горных пород в течение 7 лет, на основе разработанного метода оценки и классификации массива по его устойчивости относительно силь-ных техногенных воздействий при отработке

крупных и суперкрупных месторождений осуществлена положительная заверка прогноза места и оценки магнитуды сильного динамического явления в шахте Таштагольского рудника.

Таким образом введение в систему отработки предлагаемого комплексного пассивного и активного геофизического мониторинга, нацеленного на изучение переходных процессов перераспределения напряженно-деформированного и фазового состояний может способствовать предотвращению катастрофических динамических проявлений при отработке глубокозалегающих месторождений. Методы активного геофизического мониторинга должны быть настроены на модель иерархической неоднородной среды.

1. Исаев Ю.С., Му пев С.Н. Мониторинг

техногенной сейсмичности на шахтах и рудниках // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Тр. Межд. конф. Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН,

1999.

2. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.Н. и др. Стратегия развития автоматизированной системы контроля гео-динамической безопасности на рудниках ОАО Г орно-металлургическая компания “Норильский никель”/ Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Тр. Межд. конф. Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2001.

3. Курленя М.В., Опарин В.Н., Еременко А.А. Об одном методе сканирования шахтной сейсмологической информации // ДАН.-1993, Т.333, №6.

4. Опарин В.Н., Востриков В.И., Жилкина Н.Ф., Тапсиев А.П., Аршавский В.В. О пульсирующем режиме сейсмоэнерговыделения из напряженных участков шахтных полей.// Проблемы и перспективы развития горных наук. Тр. Межд. конф. Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2005. Т.1, с.7-16.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Курленя М.В., Опарин В.Н. Современные проблемы нелинейной геомеханики. Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск, 199 г.

С.5-20.

6. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Ха-чай О.Ю. Новая методика обнаружения зон дезинтеграции в околовыработочном пространстве массивов горных пород различного вещественного состава. // Горный информационный аналитический бюллетень. 2003, №11, с. 26-29.

7. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения, состояния геологической гетерогенной среды и их динамики в рамках дискретной и иерархической модели. //Геомеханика в горном деле. Екатеринбург. ИГД УрО РАН, 2003. с. 30-38.

8. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения и состояния геологической гетерогенной нестационарной среды в рамках дискретной иерархической модели // Российский геофизический журнал, 2004, № 33-34, С.32-37.

9.Хачай О.А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В. Трехмерный электромагнитный мониторинг со-

стояния массива горных пород. // Физика Земли, 2001, №2, с. 85-92.

10. Хачай О.А. Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии. // Физическая мезо-механика 7, Спец.выпуск, Ч.2., 2004, С. 292-295.

11. Хачай О. А. Проблема изучения переходного процесса перераспределения напряженного и фазового состояний массива между сильными техногенными воздейст-

виями.// Горный информационный аналитический бюллетень. 2006, № , с. .

12. Хачай О.А., Хачай О.Ю. Метод оценки и классификации устойчивости массива горных пород с позиции теории открытых динамических систем по данным геофизического мониторинга.// Горный информационный аналитический бюллетень. 2005, № 11, с. 29-36. ЕШЗ

— Коротко об авторах

Хачай О.А. - Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, зав. гр. сейсмоэлектромагнитных исследований, Институт геофизики УрО РАН,

Хачай О.Ю. - аспирант УрГУ,

Климко В.К. - кандидат технических наук, Таштагольский подземный рудник,

Шипеев О.В. - кандидат технических наук, Таштагольский подземный рудник.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «БУРЕНИЕ»

КРИВОШЕЙ Александр Викторович Совершенствование составов расширяющихся тампонажных растворов и технологии их применения, повышающих качество и надежность цементирования скважин 25.00.15 к.т.н.